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1、增透膜的原理及應(yīng)用陜西省安塞縣安塞高級中學(xué)物理教研組 賀 軍 摘要：在光學(xué)元件中，由于元件表面的反射作用而使光能損失，為了減少元件表面的反射損失，常在光學(xué)元件表面鍍層透明介質(zhì)薄膜,這種薄膜就叫增透膜。本文分別從能量守恒的角度對增透膜增加透射的原理給予定性分析；根據(jù)菲涅爾公式和折射定律對增透膜增加透射的原理給予定量解釋；利用電動力學(xué)的電磁理論對增透膜增加透射的原理給予理論解釋。同時對增透膜的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀作一介紹。 關(guān)鍵詞：增透膜；干涉；增透膜材料；鍍膜技術(shù) 1前言 在日常生活中，人們對光學(xué)增透膜的理解，
2、存在著一些模糊的觀念。這些模糊的觀念不僅在高中生中有，而且在大學(xué)生中也是存在的。例如，有不少人認(rèn)為入射光從增透膜的上、下表面反射后形成兩列反射光，因為光是以波的形式傳播的，這兩列反射光干涉相消，使整個反射光減弱或消失，從而使透射光增強(qiáng)，透射率增大。然而他們無法理解：反射回來的兩列光不管是干涉相消還是干涉相長，反射光肯定是沒有透射過去，因增加了一個反射面，反射回來的光應(yīng)該是多了，透射過去的光應(yīng)該是少了，這樣的話，應(yīng)當(dāng)說增透膜不僅不能增透，而且要進(jìn)一步減弱光的透射，怎么是增強(qiáng)透射呢？也有人對增透膜的屬性和技術(shù)含量不
3、甚了解，對它進(jìn)行清潔時造成許多不必要的損壞。隨著人類科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，增透膜的應(yīng)用越來越廣泛。因此，本文利用光學(xué)及其他物理學(xué)知識對增透膜原理給以全面深入的解釋，同時對增透膜的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀作一介紹。讓人們對增透膜有一個全面深入的了解，進(jìn)而排除在應(yīng)用時的無知感和迷惑感。 2增透原理 2．1定性分析 光學(xué)儀器中，光學(xué)元件表面的反射，不僅影響光學(xué)元件的通光能量；而且這些反射光還會在儀器中形成雜散光，影響光學(xué)儀器的成像質(zhì)量。為了解決這些問題，通常在光學(xué)元件的表面鍍上一定厚度的單層或多層膜，目的是為了減小元件表面
4、的反射光，這樣的膜叫光學(xué)增透膜（或減反膜）?！ ∵@里我們首先從能量守恒的角度對光學(xué)增透膜的增透原理給予分析。一般情況下，當(dāng)光入射在給定的材料的光學(xué)元件的表面時，所產(chǎn)生的反射光與透射光能量確定，在不考慮吸收、散射等其他因素時，反射光與透射光的總能量等于入射光的能量。即滿足能量守恒定律。當(dāng)光學(xué)元件表面鍍膜后，在不考慮膜的吸收及散射等其他因素時，反射光和透射光與入射光仍滿足能量守恒定律。而所鍍膜的作用是使反射光與透射光的能量重新分配。對增透膜而言，分配的結(jié)果使反射光的能量減小，透射光的能量增大。由此可見，增透膜的作用
5、使得光學(xué)元件表面反射光與透射光的能量重新分配，分配的結(jié)果是透射光能量增大，反射光能量減小。光就有這樣的特性：通過改變反射區(qū)的光強(qiáng)可以改變透射區(qū)的光強(qiáng)。 2．2定量描述 光從一種介質(zhì)反射到另一種介質(zhì)時，在兩種介質(zhì)的交界面上將發(fā)生反射和折射，把反射光強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度的比值叫做反射率。用表示，，和分別表示反射光和入射光的振幅?！ ≡O(shè)入射的光強(qiáng)度為1，則反射光的強(qiáng)度為，在不考慮吸收及散射情況下，折射光的強(qiáng)度為（1-ρ）。根據(jù)菲涅爾公式和折射定律可知：當(dāng)入射角很小時，光從折射率n1的介質(zhì)射向折射率n2介質(zhì)，反射率
6、（1） 例如光線由很小的入射角從空氣射入折射率為1.8的介質(zhì)時，則反射率為 若以入射光的強(qiáng)度為1，則反射光的強(qiáng)度為0.08，折射光的強(qiáng)度為1-0.08=0.92?！ ≡诮橘|(zhì)表面鍍一層增透膜，設(shè)空氣、薄膜、介質(zhì)的折射率分別為n1、、n、n2,薄膜厚度為d，如下圖所示：圖1 光在單層膜中反射的示意圖 在入射角很小的情況下，空氣與薄膜之間的反射率為 薄膜與介質(zhì)之間的反射率為 如果把入射光線的強(qiáng)度仍設(shè)為1，光線①是入射光線經(jīng)過空氣與薄膜的界面一次反射形成的，則其強(qiáng)度為；光線②入射光線經(jīng)過空氣與薄膜的界
7、面兩次折射和薄膜與介質(zhì)的界面一次反射而形成的，其強(qiáng)度為；光線③是入射光線經(jīng)過空氣與薄膜的界面兩次折射、一次反射和薄膜與介質(zhì)的界面兩次反射而形成的，其強(qiáng)度為。如果、、，則光線①的強(qiáng)度為，光線②的強(qiáng)度為，光線③的強(qiáng)度為，此光束以后反射到空氣中的強(qiáng)度將更小。由此可見，返回空氣中的光線主要是①和②，而其它的光線強(qiáng)度非常小可以略去不計。那么，只要光線①和②滿足振幅相等，正好反相時，則相互抵消，整個系統(tǒng)的反射光能量接近零。根據(jù)增透膜增透過程中能量守恒，透射過去的光能量得到了增強(qiáng)，幾乎使全部光透射過去。 通過上面的分析我們
8、知道，只要使光線①和②的振幅相等，并且正好反相，這層薄膜就起到了理想的增透作用。欲使光線①和②振幅相等，即強(qiáng)度相等，則．由于非常小，非常接近1，所以，只要就可以實現(xiàn)1和2振幅相等。又因 所以①和②振幅相等的條件是： 化簡上式，薄膜的折射率應(yīng)滿足。一般空氣折射率n1為1，為玻璃折射率為1．5，則增透膜的折射率為，所以人們選擇增透膜的折射率應(yīng)等于1．23或接近它。由于折射率小于
